DNA Illustraties
Het afgelopen jaar heb ik samengewerkt met een uitgever van een studieboek over biologie om een reeks illustraties te maken over genetica en genexpressie. Ik werd gevraagd om behoorlijk wat illustraties te maken, daarom heb ik slechts een paar van de interessantere tekeningen geselecteerd om hier te laten zien. De eerste illustraties leggen de 'packaging' van DNA uit, de tweede reeks afbeeldingen gaat over DNA-replicatie en de laatste illustraties tonen het proces van translatie van mRNA naar polypeptideketens. Alle tekeningen zijn ontworpen en getekend in Illustrator.
DNA Packaging
Wist je dat als je al het DNA in één van je cellen zou uitrekken (ongeveer 3,2 miljard basenparen), het ongeveer 2 meter lang zou zijn? Dat betekent dat al het DNA in al je cellen samen ongeveer twee keer de diameter van het zonnestelsel zou bereiken. Om deze 2 meter lange sequentie in een ruimte van slechts 6 micron (0,006 millimeter) te passen, wordt het DNA strak verpakt in chromosomen.
Basisstructuur van DNA
De eerste stap in chromosomale organisatie is het wikkelen van DNA rond specifieke eiwitten, histonen genoemd. Er zijn vijf typen histonen; H1, H2A, H2B, H3 en H4. Twee paren histonen H2A, H2B, H3 en H4 vormen een schijfvormig histoncomplex of octameer. Het DNA wikkelt zich ongeveer 1,7 keer om het histonoctameer, wat dan een nucleosoom wordt genoemd. Een reeks nucleosomen die aan elkaar zijn geregen, met een stukje naakt DNA of linker-DNA ertussen (zoals een parelsnoer), heeft een diameter van 10 nm en wordt een 10 nm chromatinevezel genoemd.
Eerste Stappen in Chromosomale Organisatie
Histon H1 of linkerhiston, maakt verdere verpakking van het DNA mogelijk. Het is geen onderdeel van het octameer, maar bindt aan de buitenkant van een nucleosoom. Histon H1 zorgt ervoor dat het DNA strakker om het histoncomplex wordt gewikkeld. Dit verandert de structuur van de chromatinevezel en de nucleosomen worden veel dichter bij elkaar getrokken. Opeenvolgende nucleosomen rangschikken zichzelf in paren en vormen op deze manier een 30 nm chromatinevezel.
Overzicht van Chromosomale Organisatie
Verdere organisatie vindt plaats wanneer de 30 nm chromatinevezel een reeks grote lussen van elk 300 nm vormt. Deze spiraliseren vervolgens verder in een zeer dichte structuur met een totale breedte van 700 nm. Deze structuur geeft het bekende uiterlijk van chromosomen tijdens celdeling.
DNA Replicatie
DNA-replicatie is het proces waarbij een cel zijn DNA dupliceert vóór celdeling, waardoor elke dochtercel een identieke kopie van het genetische materiaal ontvangt. Dit proces vindt plaats tijdens de S-fase van de celcyclus en omvat meerdere enzymen en eiwitten. DNA-replicatie volgt een semi-conservatief model, wat betekent dat elk nieuw DNA-molecuul bestaat uit één originele (ouderlijke) streng en één nieuw gesynthetiseerde streng. Het replicatieproces omvat verschillende belangrijke stappen: initiatie, verlenging en beëindiging.
Initiatie
DNA-replicatie begint op specifieke locaties op het DNA-molecuul, de zogenaamde oorsprongen van replicatie (ORI's). In eukaryotische cellen, die grote chromosomen hebben, zijn er meerdere ORI's om het proces te versnellen. De belangrijkste gebeurtenissen bij initiatie zijn:
-
Afwikkelen van DNA: het enzym helicase bindt zich aan de ORI en wikkelt de dubbele DNA-helix af door de waterstofbruggen tussen de complementaire basenparen te verbreken. Dit creëert twee enkelstrengs DNA-sjablonen.
-
Vorming van replicatievorken: terwijl helicase het DNA afwikkelt, vormt het Y-vormige structuren, replicatievorken genaamd, waar de twee strengen worden gescheiden.
-
Binding van enkelstrengs bindende eiwitten (SSB's): deze eiwitten stabiliseren de afgewikkelde enkele strengen en voorkomen dat ze opnieuw annealen of worden afgebroken door nucleasen.
-
Spanning verlichten: terwijl het DNA afwikkelt, creëert het spanning en supercoiling in het resterende dubbelstrengs DNA. Topoisomerase-enzymen verminderen deze spanning door tijdelijk in het DNA te snijden en het vervolgens weer te verzegelen.
Stadia in DNA-replicatie
Verlenging
Verlenging is het proces van het synthetiseren van de nieuwe DNA-strengen. DNA-synthese vindt plaats in beide richtingen vanaf de ORI, dus er zijn twee replicatievorken actief. DNA-polymerase kan echter alleen nucleotiden toevoegen in de 5' tot 3' richting, wat de behoefte creëert aan continue en discontinue synthese:
-
Primase synthetiseert RNA-primers: Het enzym primase creëert korte RNA-primers (5-10 nucleotiden lang) op elke DNA-templatestreng. Deze primers vormen een startpunt voor DNA-polymerase, dat alleen nucleotiden kan toevoegen aan een bestaand 3'-uiteinde.
-
Leading strand synthesis: Op de leading strand synthetiseert DNA-polymerase het nieuwe DNA continu in de 5' tot 3' richting terwijl de replicatievork opengaat. Deze streng wordt gesynthetiseerd in de richting van de replicatievork.
-
Lagging strand synthesis: Op de lagging strand synthetiseert DNA-polymerase DNA in korte fragmenten, Okazaki-fragmenten genoemd, omdat het wegwerkt van de replicatievork. Elk fragment heeft een nieuwe RNA-primer nodig en de fragmenten worden later samengevoegd.
-
DNA-polymerase-actie: DNA-polymerase voegt complementaire nucleotiden (A paart met T, C paart met G) toe aan de groeiende DNA-keten, waarbij de ouderlijke streng als sjabloon wordt gebruikt.
Stadia in DNA-replicatie
Beëindiging
Zodra het hele DNA-molecuul is gerepliceerd, is het proces voltooid:
-
Verwijdering van RNA-primers: De RNA-primers worden verwijderd door een enzym genaamd RNase H, en de gaten worden opgevuld met DNA door DNA-polymerase.
-
Verbinding van Okazaki-fragmenten: Op de lagging strand dicht het enzym DNA-ligase de gaten tussen Okazaki-fragmenten door fosfodiesterbindingen te vormen, waardoor een continue DNA-streng ontstaat.
RNA Translatie
Translatie is het proces waarbij ribosomen eiwitten synthetiseren uit messenger RNA (mRNA), waarbij de genetische code die door het mRNA wordt gedragen als een template wordt gebruikt om aminozuren in de juiste volgorde aan elkaar te rijgen. Dit proces vindt plaats in het cytoplasma van de cel en bestaat uit drie hoofdfasen: initiatie, verlenging en beëindiging.
Initiatie
De eerste stap in de translatie begint wanneer het mRNA de kern verlaat en het cytoplasma binnengaat. Daar bindt het zich aan een kleine subeenheid van het ribosoom. Het ribosoom "leest" het mRNA in codons, wat sequenties zijn van drie nucleotiden die overeenkomen met specifieke aminozuren.
Een speciale initiator transfer RNA (tRNA), die het aminozuur methionine draagt, herkent het startcodon (AUG) op het mRNA en bindt zich eraan. Dit is het signaal voor de grote subeenheid van het ribosoom om zich aan de kleine subeenheid te hechten, waardoor een compleet ribosoom ontstaat. Dit complex is nu klaar om de eiwitsynthese te starten.
Stadia in Translatie
Verlenging
Bij verlenging beweegt het ribosoom langs het mRNA en leest het zijn codons één voor één. Elk codon komt overeen met een specifiek tRNA-molecuul, dat het overeenkomstige aminozuur draagt. Het ribosoom heeft drie belangrijke plaatsen:
-
A-plaats (aminoacylplaats): waar het binnenkomende tRNA dat een aminozuur draagt, bindt.
-
P-plaats (peptideplaats): waar de groeiende polypeptideketen wordt vastgehouden.
-
E-plaats (uitgangsplaats): waar het lege tRNA, na overdracht van zijn aminozuur, het ribosoom verlaat.
Bij elk codon komt het overeenkomstige tRNA de A-plaats binnen, waardoor een aminozuur wordt binnengebracht. Het ribosoom katalyseert de vorming van een peptidebinding tussen het nieuwe aminozuur en de groeiende polypeptideketen, die op de P-plaats wordt vastgehouden. Het ribosoom verschuift vervolgens, waarbij het tRNA van de A-plaats naar de P-plaats wordt verplaatst, en het tRNA in de P-plaats beweegt naar de E-plaats, waarbij het het ribosoom verlaat. Dit proces herhaalt zich terwijl het ribosoom verder door het mRNA beweegt en de polypeptideketen verlengt.
Beëindiging
Stadia in Translatie
Het proces gaat door totdat het ribosoom een stopcodon (UAA, UAG of UGA) op het mRNA tegenkomt. Deze codons komen niet overeen met een tRNA of aminozuur. In plaats daarvan binden releasefactoren zich aan het stopcodon, waardoor het ribosoom de voltooide polypeptideketen vrijgeeft. De ribosomale subeenheden vallen vervolgens uiteen, waardoor het mRNA en tRNA vrijkomen voor toekomstig gebruik.
De polypeptideketen die vrijkomt uit het ribosoom is het nieuw gesynthetiseerde eiwit. Het kan verdere vouwing en modificaties ondergaan om volledig functioneel te worden in de cel.
Dit sterk gereguleerde proces is cruciaal voor het vertalen van genetische informatie van DNA, via mRNA, naar eiwitten die een breed scala aan functies in de cel uitvoeren.